Čistírna odpadních vod jako energetický zdroj?

Na příkladu Ústřední čistírny odpadních vod (ÚČOV) Praha je vidět, že na čistírny odpadních vod nelze pohlížet úzkým pohledem sledujícím jen nezbytné čištění odpadních vod před jejich vypuštěním do vodoteče. Širší pohled ukazuje, že proces čištění odpadních vod je zajímavým zdrojem energie, která se nachází v různých formách. Na menších čističkách nebude pochopitelně ekonomicky výhodné využít všechny možnosti, ale například potenciál tepelné energie ve vyčištěné vodě s teplotou až okolo 17 °C vypouštěné do řeky nabízí možnost dosáhnout s vhodným tepelným čerpadlem velmi nízkých nákladů na výrobu tepla. Většina tepelných čerpadel, využívaných pro vytápění, pracuje s teplotou primárního zdroje tepelné energie v mnohem nižších teplotách. Energetický potenciál, skrytý v námi produkovaných odpadech, je nutné využít.

Recenzenti: Vladimír Galád, Zdeněk Číhal

Úvod

Čištění odpadních vod je proces odstraňování znečištění, nebo jeho snižování na míru přípustnou před vypouštěním těchto vod zpět do přírodního prostředí. Legislativní úprava je obsažena v zákoně o vodách (vodní zákon) č. 254/2001 Sb. a v zákoně o vodovodech a kanalizacích č. 275/2001 Sb. Povolení k vypouštění vyčištěných odpadních vod vydává vodoprávní úřad, jako speciální stavební úřad, který je součástí odborů životního prostředí u obecních úřadů s rozšířenou působností.

Pozornost zaměříme na tzv. městské odpadní vody, což jsou odpadní vody z domácností, škol, potravinářské výroby, atd., bez nebo s minimálním podílem odpadních vod z průmyslu, které mají své specifické znečištění.

Stručná charakteristika procesu čištění

Současné metody čištění odpadních vod jsou založeny na mechanicko-biologickém způsobu. Tento způsob čištění se vyznačuje vysokou produkcí kalů. Nejrozšířenější jsou mechanicko-biologické čistírny s aktivací. Mechanická část čistírny je zaměřena na separaci hrubých nerozpuštěných látek a plovoucího znečištění, které se odstraňují z dalšího procesu. Mechanická separace je ukončena v usazovácích (sedimentačních nádržích), kde při řízeném průtoku s potřebnou dobou zdržení dochází ke gravitačnímu oddělení (sedimentaci) převážné části suspendovaných látek s vysokým obsahem látek organických (cca 70 %). Takto vzniklý kal, kal primární (PK) je odčerpáván k dalšímu zpracování.

Mechanicky předčištěná voda se následně v aktivačních nádržích směšuje s tzv. aktivovaným kalem, což je suspenze vloček, osídlených mikroorganizmy, které ke svému metabolizmu spotřebovávají přiváděné rozpuštěné znečištění organického původu a to až s 99% účinností. Aktivační nádrže jsou rovněž průtočné a intenzivně provzdušňované, což je základní podmínka pro toto tzv. aerobní čištění. Mikroorganizmy používají organické znečištění jako zdroj uhlíku na zajištění energie a na svůj růst. Mikrobiální metabolizmus uvolní část uhlíku z organického substrátu při respiraci a druhou část převede do nové biomasy (u aerobních procesů to činí 40 až 60 %). Výsledkem je syntéza nové biomasy, při které se spotřebuje i část dusíku a fosforu a oxidace části organického znečištění na CO₂. Odtékající suspenze z aktivačních nádrží se opět gravitačně separuje v tzv. dosazovácích (stavebním provedením jsou podobné usazovákům) a část tohoto kalu (tzv. kal vratný) se vrací zpět na začátek aktivace ke smísení s mechanicky předčištěnou vodou a druhá část (protože došlo k namnožení biocenózy), nazývaná přebytečný aktivovaný kal (PAK), se čerpá k dalšímu zpracování.

Oba druhy kalů, PK a PAK se smísí, vznikne tzv. surový směsný kal (SSK), který se zpracovává v kalovém hospodářství.

Kalové hospodářství

Kaly jsou nevyhnutelným odpadním produktem při čištění odpadních vod. Celkové množství kalů tvoří přibližně 1 až 2 % objemu čištěných vod, je v nich však zkoncentrováno 50 až 80 % původního znečištění.

Organické látky obsažené v čistírenských kalech z městských odpadních vod jsou rostlinného nebo živočišného původu, tedy jsou produktem fotosyntézy. Jedná se o biomasu, o obnovitelný zdroj energie. Vysoký obsah organických látek v kalu představuje i významný energetický potenciál. Mezi nejefektivnější a nejrozšířenější metody získávání energie z kalu patří anaerobní stabilizace – při které se více než 50 % organických látek transformuje do bioplynu.

Při anaerobních procesech lze získat z 1 kg odstraněných organických látek 1 Nm³ bioplynu, kde každý kg těchto organických látek má výhřevnost 22 až 25 MJ/kg. Bioplyn obsahuje cca 64 % metanu a 36 % CO₂. Anaerobní stabilizací kalu o sušině 5 % a obsahu organických látek 70 %, při účinnosti rozkladu 50 % lze získat využitelnou energii ve formě bioplynu v hodnotě cca 8 MJ/kg sušiny kalu, to představuje 32 až 39 % celkové energie kalu, naproti tomu při přímém spalování lze využít okolo 30 % z celkové energie kalu.

Podstata anaerobního procesu

Anaerobní proces (metanizace)je soubor biochemických reakcí, při nichž směsná kultura mikroorganizmů postupně rozkládá bez přístupu vzduchu organické látky (substrát) v surovém směsném kalu (SSK). Konečným produktem je stabilizovaný kal obsahující organické látky nepodléhající dalšímu rozkladu, narostlou biocenózu a bioplyn. Anaerobní rozklad organických látek spočívá v koordinované metabolické součinnosti různých mikrobiálních skupin.

Z hlediska teplotního režimu rozlišujeme metanizaci mezofilní, probíhající při cca 35 °C a termofilní, při cca 55 °C. Podle zvoleného druhu metanizace musí být zajištěny potřebné podmínky.

Produkce bioplynu

Celková produkce bioplynu na ÚČOV ­Praha dosahuje hodnot blížících se 18 000 000 Nm³/rok. Průměrná denní produkce činí 49 000 Nm³/den, v roz­mezí od 26 000 až do 75 000 Nm³/den. I v průběhu roku má produkce bioplynu na ÚČOV Praha pravidelné výkyvy. Nejnižší výroba je v letních měsících v červenci a srpnu, potom se začíná zvyšovat a zhruba od prosince do dubna dosahuje maxima. Kolísání produkce má rozsah zhruba 30 %.

Z hlediska dlouhodobého vývoje výroba bioplynu na ÚČOV Praha významně roste. Na začátku 80. let minulého století se jeho produkce pohybovala okolo zhruba 8 milionů m³/rok a do konce desetiletí stoupla na hodnoty dosahující zhruba 10 milionů m³/rok. V průběhu 90. let a zejména po intenzifikaci ÚČOV, provedené v letech 1994 až 1997, stoupla produkce bioplynu na úroveň okolo 13 milionů m³/rok. Po přechodu na lyzování biologického kalu a zavedení termofilního procesu jsme se dostali na dnešní produkci mezi 17 a 18 miliony m³/rok. Přitom vnos organických látek do vyhnívacích nádrží významně stoupl pouze v polovině 90. let v souvislosti se zvýšeným množstvím kalu po intenzifikaci čisticí linky.

Chybějící údaje jsou způsobeny v roce 1996 odstávkou ÚČOV z důvodů realizace intenzifikace a v roce 2002 zase povodní.

Energetika

Bioplyn, vyrobený na ÚČOV, se především využívá k výrobě elektrické energie a tepla v pěti instalovaných kogeneračních jednotkách o celkovém výkonu 5,5 MW. Dalším spotřebičem bioplynu je, jako doplňkový zdroj tepla, kotelna a dále jsou instalovány hořáky zbytkového plynu, pro spalování momentálních přebytků.

Byly instalovány 3 kogenerační jednotky typu TBG 620 V16 (MWM DEUTZ), každá má elektrický výkon 960 kW a tepelný 1490 kW a 2 kogenerační jednotky typu TBG 620 V16K (MWM DEUTZ), každá má elektrický výkon 1262 kW a tepelný 1596 kW. Celková účinnost jednotek je 87 % (z toho elektrická 38 % a tepelná 49 %).

Graf na obr. 6 ukazuje rozdělení spotřeby bioplynu. Z grafu je patrné, že ne všechen vyrobený bioplyn se transformuje na elektrickou energii a teplo. Důvodem je omezená kapacita instalovaných kogeneračních jednotek (KGJ) – suma spotřeby bioplynu všemi instalovanými KGJ a technické odstávky.

Pokud by byl veškerý bioplyn využit v kogeneračních jednotkách, byla by saturována veškerá spotřeba tepla, přičemž likvidace jeho přebytků v HZP je naprosto neekonomická. Přesto současný stav provozování souboru KGJ umožňuje vysokou míru soběstačnosti ve spotřebě elektrické energie, jak ukazuje graf na obr. 7.

Přebytky bioplynu a výhledově i tepelného výkonu z motorgenerátorů tak otevírají možnost využít tohoto energetického potenciálu pro řešení palčivého problému čistírny – omezit negativa spojená s konečným využitím resp. zneškodněním vyhnilých kalů. Vyhnilé kaly jsou totiž dosud po odvodnění na cca 32 % sušiny z areálu čistírny odváženy nákladní automobilovou dopravou a využívány jako materiál používaný na skládce. Ve vyhnilých kalech se však ukrývá další významný energetický potenciál – vyjádříme-li zbytkovou energii v sušině kalu jeho výhřevností, při roční produkci dosahující cca 23 tis. tunsušiny kalu s obsahem cca 50 % spalitelných organických látek reprezentuje cca 70 tis. MWh.

Pouhé mechanické odvodnění však využitelnost této energie pro vysoký obsah vody (68 %) znemožňuje. A tak jedinou cestou je zavedení následného sušení kalů na takovou úroveň, která by umožnila posléze jeho energetické vy­užití přímým spalováním v k tomu vhodném spalovacím zdroji. Současná energetická bilance je znázorněna na obr. 8.

Závěr

Stručná charakteristika energetického hospodářství ÚČOV Praha naznačuje možnost využití dalších významných rezerv ve využívání energie z přiváděného organického znečištění. V současnosti prochází metanizační nádrže procesem jejich generálních oprav (statické zabezpečení a nová tepelná izolace, která sníží tepelné ztráty). Významných úspor na teple by bylo dále dosaženo důslednou rekuperací tepla z vyhnilých kalů, které jsou odčerpávány po anaerobní stabilizaci z metanizačních nádrží o teplotě cca 52 °C až 53 °C. Takto je mařena více jak třetina energie obsažené ve vyrobeném bioplynu.

Mimořádný tepelný potenciál představuje přitékající odpadní voda na ÚČOV v množství cca 4,5 m³/s o průměrné roční teplotě cca 17 °C, která má na odtoku po vyčištění teplotu shodnou.

Ve vyhnilém kalu zůstává po odvodnění téměř 50 % chemické energie ve spalitelných organických látkách, které již nepodléhají anaerobnímu rozkladu. To představuje cca 70 GWhtepelné energie (vztaženo na sušinu). Tato energie je však v důsledku velkého obsahu vlhkosti (68 %) energeticky současnými technologiemi nezískatelná. Jediným prostředkem je vysušení kalu, a právě k tomu mohou být rezervy současného čistírenského provozu využity.

Po vysušení na 60 % až 90 % (podle potřeby) se získá obnovitelný zdroj energie s výhřevností cca 11 MJ/kg (vztaženo na sušinu). Podle současné legislativy se ale nejedná o biopalivo. Spalování resp. spoluspalování vysušených čistírenských kalů lze realizovat jenom na spalovacích zařízeních opatřených čištěním spalin (elektrárny, cementárny).

Literatura

[1] Dohányos M., Zábranská J., Jeníček P. (1997). Enhancement of sludge anaerobic digestion by use of a special thickening centrifuge. Water Sci. Tech., vol. 36 (11).
[2] Dohányos M., Zábranská J., Jeníček P., Kutil J. (1999) Two ways of intensification of sludge treatment in the Prague Central Wastewater Treatment Plant. 8th IAWQ International Conference on Design, Operation and Economics of Large Wastewater Treatment Plants, Budapest, 6.–9. September 1999, s. 313–320.
[3] Dohányos M., Zábranská J., Kutil J., Jeníček P. (2004) Improvement of anaerobic digestion of sludge. Water Science and Technology, vol. 49, no. 10, s. 89–96.
[4] Dohányos M., Zábranská J., Vit R., Pospěch L. (1999) Zvyšování výtěžnosti bioplynu z čistírenských kalů při zahušťování přebytečného aktivovaného kalu lyzátovací centrifugou. Sborník konference Od­padní vody 99, Teplice 18.–20. 5. 1999, s. 111–116, AČE ČR.
[5] Kutil J. (1999) Vyhodnocení pozitivních a negativních vlivů termofilie na související technologické procesy, na stavební konstrukce a celkovou energetickou bilanci ÚČOV – Technická studie.
[6] Roškota J., Kutil J. (2000) Zkušenosti se zvyšováním produkce bioplynu termofilním vyhníváním. Sborník semináře Nové metody a postupy při provozování čistíren odpadních vod, Moravská Třebová, 18.–19. dubna 2000, s. 15–26.
[7] Dohányos M., Zábranská J., Kutil J., Vrána J (2001) Může být ČOV energeticky soběstačná? Sborník Mezinárodní konference Odpadní vody ’01, s. 67–72, Mladá Boleslav, 15.–17. 5. 2001. ISBN 80-238-6917-5.
[8] Kutil J. (2003): Zkušenosti a poznatky z pokusného spalování suchého čistírenského kalu v cementářské peci. SOVAK 12/2003, s. 17–20.
[9] Dohányos M., Zábranská J., Kutil, J., Jeníček, P. (2004). Improvement of anaerobic digestion of sludge. Water Science and Technology, vol. 49, no. 10, s. 89–96.
10] Pospěch L. (2009) Zkušenosti s bioplynem na Ústřední čistírně odpadních vod v Praze. Sborník mezinárodní konference BIOPLYN 2009, České Budějovice, 8.–9. duben 2009.
[11] Posouzení energetické náročnosti vyhnívacích nádrží na ÚČOV Praha. SEVEn, 1/2010.

Poznámka redaktora:

Čištění odpadních vod je nutné pro ochranu životního prostředí. Autor článku ukazuje, že jsou známé cesty k tomu, jak významně snížit náklady na tento proces, pokud se využije energetický potenciál skrytý v jeho technologii. Cena energií stále roste a například vypouštění zbytečně teplé vody do vodoteče nebo nevyužívání energie uložené ve vyhnilém kalu, se jeví jako promrhaná příležitost i z pohledu státní a evropské politiky snižování energetické náročnosti a zvyšování podílu obnovitelných zdrojů energie. Bohužel asi nikde se při rozhodování o umístění ČOV tyto aspekty nezahrnují do rozvahy, ČOV se bere jako „nutné“ zlo. Důvodem je stávající pohled na ČOV, který se jen velmi pomalu mění. O možnostech bioplynu se ví již relativně hodně. Málo pozornosti se věnuje ostatním unikajícím zdrojům energie. Chybí praktické příklady, projektově typizovaná řešení pro malé nebo střední ČOV opírající se o reálné poznatky ze skutečné ekonomiky provozu. Modelový a realizovaný projekt využití všech energií souvisejících s čištěním odpadních vod by si vzhledem k počtu instalovaných ČOV zasloužit významnou pozornost. To však předpokládá nedívat se na ČOV jako na samostatný objekt, který je nutné umístit pokud možno co nejdál od města, ale systémově jej propojit s energetickou infrastrukturou města.

---

Wastewater treatment plant used as an energy source

Treating wastewater is vital to safeguarding the health. The treatment process can also bring economic advantages by energy production. Wastewater treatment plant operation and energy production is shoved in example – treatment plant in Prague.

Keywords: wastewater treatment, waste water, treatment and energy